成果報告書詳細
管理番号20120000000034
タイトル平成18~22年度成果報告書 系統連系円滑化蓄電システム技術開発 要素技術開発 新エネルギー・電力事業用リチウムイオン蓄電システムの高性能・低コスト化の研究開発
公開日2012/6/27
報告書年度2006 - 2010
委託先名北陸電力株式会社 エナックス株式会社 ニチコン草津株式会社 有限会社日下レアメタル研究所 株式会社ワイ・デー・ケー
プロジェクト番号P06004
部署名スマートコミュニティ部
和文要約件名:平成18年度?平成22年度成果報告書「系統連系円滑化蓄電システム技術開発/要素技術開発/新エネルギー・電力事業用リチウムイオン蓄電システムの高性能・低コスト化の研究開発」
低炭素社会の実現のために風力・太陽光発電といった再生可能エネルギーの一層の普及・拡大が期待されている。しかし再生可能エネルギーは気候の影響を受けやすく出力が不安定であり,電力系統への大量連系に際しては出力平滑化・軽需要時の電力貯蔵・電圧維持・周波数制御といった機能を有する蓄電システムの存在が不可欠であると考えられる。応答性が速くエネルギー密度の高い二次電池として携帯電話・PCなどを中心に急激に適用事例が増加しているリチウムイオン電池を用い,電気事業において実用するに足る「高性能化」「低コスト」を両立させた,新しい蓄電システムの構築を目指し,以下の6項目について要素技術開発を行った。 1)負極材・集電材の研究開発:LTO材料開発において,ソフトケミストリー的手法(水溶液反応)の導入やリチウム含浸法について検討し,何れの手法でも量産プロセスによる合成が可能であることを示し,約18%のコストダウン見通しを得た。また,集電体を従来の銅箔からアルミ箔に変更し,Nb置換による導電性の改善や対極活物質の選択によりガス発生防止を図り,13Ahラミネートセルを試作・評価した。 2)正極材の研究開発:硝酸金属塩噴霧熱分解法による量産合成手法を検討し,実証システムに搭載するLM(Al)Oの20Ahラミネートセルを672個作製した。さらに,ガス燃焼熱風加熱のエネルギーコストが電気加熱に比べ約1/3になることを確認した。また,正極材にリン酸鉄リチウムを適用した16Ahラミネートセルを試作し,既存のLMOに比べ同等以上の寿命・安全性を有することを確認した。 3)高性能化・長寿命化の研究:TOF?SIMS法により負極表面に形成されるSEI層の定性・定量解析を行い,セル製造条件や充放電条件によりMnイオンの検出量が大きく変化することを明らかにした。長寿命とコスト低減を両立させるため,電解液へのビニレンカーボネートの微量添加,負極黒鉛材原料の変更,負極材料への水系バインダプロセスの適用など,種々の検討・検証を行った。 4)電池モジュールの研究開発:セルを2並列14直列で樹脂ケースに収めたものを「パック」,パックを3直列に接続したものを「3直列パック」とし,3直列パックを2直列4並列接続することで50kWhユニットを構成することとした。パック毎にBMS基板を配置し,電圧・温度監視機能,バランス機能,通信機能を具備した。実証試験にて設計どおりの動作ができることを確認した。最小単位での保守を可能とするよう,パックからセルを引き抜く工具を開発し,検証した。 5)充放電要素技術の開発:双方向AC/DC自励式コンバータを採用し,汎用のIPMを用いることとした。変換器効率(片側)は約95%であった。既存セルによるサイクル試験の結果から,セルのSOC使用範囲を制約することにより,セルレベルで10年間の寿命をクリアできることを明らかにした。また,接触抵抗低減と工数低減を目的とした,基板とセルの接続方式を開発した。 6)蓄電ユニットの研究開発:新規開発された3種類のLMOセルのサイクル試験と安全性評価試験を行い,その結果から実証機に搭載する2種類のセルタイプを決定した。50kWhユニット2基から構成される100kWh実証蓄電システムを製作し,FRT・DVS機能,LFC・GF機能,無効電力制御などを組み込んだ。また,コンバータの低コスト化検討を行い,蓄電システムの量産時には,現状に比べて約47%のコスト低減が期待できる。
英文要約Title: Technology Development of Energy Storage System to Facilitate Interconnection of Renewable Energy to Power Grid/Element technology development/Research and Development about High Efficiency - Low Cost of Energy Storage System for New Energy and Electric Power Application which used Lithium-Ion Battery (FY2006-FY20010) Final Report

Renewable power sources generate unstably because they are sensitive to the climate. Therefore battery storage systems are supposed to be indispensable, which have functions for power-smoothing, electric storage in slight demand hours, voltage-keeping, frequency-control, etc. For the purpose of creating a new "high-performance" "low-cost" battery storage system using lithium-ion cells, research and developments for element technology have been done in 6 terms below. 1) R&D for anode materials and collector materials; Soft chemistry method (aqueous reaction) and lithium penetration method are developed. Those methods can lower the cost by about 18%. 13Ah cells are test-made, in which collector materials are changed from cupper sheets into aluminium sheets and countermeasures against gas production, such as conductivity-improvement by Nb replacement or choice of cathode materials, are designed. 2) R&D for cathode materials; Mass-production methods through metal-nitrate spray pyrolysis are developed and 672 cells (20Ah, laminate-sheet type, LM(Al)O) are made to be mounted on the field test storage unit. Energy cost of gas combustion method is estimated to be 1/3 compared with it of electric heating method. Lithium iron phosphate cathode cells (16Ah, laminate-sheet type) are test-made and it is confirmed that they have life span and safety equal to or greater than LMO cells. 3) R&D for high performance and long life span; The surface of anode is analyzed through TOF-SIMS and it is confirmed that quantity of Mn-ion varies in condition with manufacturing or charging-discharging. Various studies are made for the sake of high performance and long life span, such as VC attaching, change of anode carbon materials, water-use binding process for anode, etc. 4) R&D for battery modules; 28 cells are stored in a box and it is called "pack". 3 packs are combined and it is called "3-series pack". A 50kWh storage unit is composed of eight "3-series packs". A BMS substrate is equipped on each pack and it works for monitoring, balancing and communicating. To minimize maintenance object, a special tool for extracting cells from a BMS substrate is developed. 5) R&D for charging and discharging; AC/DC dual-way self-exciting converters are determined to be adopted. The efficiencies of the converters (one path) are about 95%. It is confirmed through the result of cycle tests for existing cells that 10 year life span is possible by limiting SOC using range. Connecting methods between cell tabs and BMS substrate terminals are also developed. 6) R&D for storage unit; Performance tests and safety tests are made for 3 types of LMO cells newly developed and 2 types of cells are chosen for field test storage units. 100kWh storage system, composed of two units (50kWh/unit), are constructed and are installed with various functions, ex. FRT, DVS. Studies for lowering converter cost are done and 47% cost cut is expected.
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